СОДЕРЖАНИЕ:

  1. Что такое цемент?
  2. Химический состав и формула
  3. Технология изготовления цемента
  4. Основные характеристики
  5. Разновидности цемента
  6. Особенности маркировки цемента
  7. Применение
  8. Заключение

До XIX века для строительства зданий и сооружений использовали в основном известняк или глину, но оба материала слабо устойчивы к воде и разрушаются со временем. Формула современного цемента была разработана в первой половине века, когда английский каменщик Джон Аспинд сумел получить искусственный камень, цвет и прочность которого были очень похожи на натуральные камни, добываемые на острове Портленд (отсюда и название «Портландцемент»).

В 1844 году компоненты цемента научились не только смешивать, но и обжигать, что позволило получить крепкое связующее вещество, устойчивое к воде, механическим нагрузкам и прочим неблагоприятным факторам. Сейчас цемент – один из самых популярных строительных материалов, используемый в частном строительстве, в строительстве крупных объектов, в производстве различных бетонных изделий и пр.

Что такое цемент?

Цемент (с латинского caementum – «битый камень») – это вяжущее вещество, используемое для строительства и добываемое искусственным путем. При перемешивании с водой создает жидкую или пластичную массу, которая со временем затвердевает и превращается в искусственный камень: бетон. Используют для приготовления различных бетонных растворов: для кладки, для штукатурки, для заливки фундаментов, для производства бетонных изделий (тротуарной плитки) и пр. Отличительная черта растворов на основе цемента – возможность застывания в условиях высокой влажности, что отличает его от других вяжущих составов: известняка и глины, которые набирают прочность только в условиях относительно сухого воздуха.

Обычный портландцемент представляет собой серую порошкообразную смесь мелкой фракции. При стандартных условиях хранения (в бумажном мешке на сухом складе) портландцемент сохраняет свойства от 3 до 12 месяцев (гарантийный срок хранения – 3-6 месяцев), но при добавлении воды свойства и форма изменяются:

  • становится вязким или жидким (зависит от количества добавленной воды);
  • получает темно-синий оттенок после застывания (при добавлении песка оттенок светлеет);
  • быстро набирает твердость и превращается в искусственный камень (схватывается за первые сутки, полностью твердеет в течение 28 дней).

Помимо прочего, качество вяжущего вещества зависит от условий хранения и срока годности. При контакте с влажной средой или при истечении срока годности в портландцементе образуются комки, которые уже не размешиваются с водой.

Химический состав и формула

Портландцемент состоит из 3-х основных компонентов:

  • клинкер;
  • гипсовый камень;
  • добавки для придания определенных свойств.

клинкер

Клинкер

Клинкер – это основной компонент, используемый в производстве. Его доля в составе портландцемента – около 80%. Сырье получают из горных пород: известняка и глины в соотношении 3 к 1 (75% известняка и 25% – глины). Для сокращения производственных затрат цементные заводы располагают около крупных залежей указанных пород. В процессе изготовления глину и известняк дробят и плавят при температурах около 1450°С.

Усредненный химический состав клинкера включает:

  • кальциевый оксид (СаО) – 67%;
  • кремниевый диоксид (SiO2) – 22%;
  • алюминиевый окиси (Al2O3) – 5%;
  • оксид железа (Fe2O3) – 3%$
  • прочие компоненты и добавки – 3%.

Также состав клинкера включает 4 основные фазы:

  • Алит. Наиболее значимая фаза, процентное содержание в клинкере составляет от 50-70%. Представляет собой трехкальциевый силикат с модифицированной структурой. Отвечает за реакцию с водой и твердение состава в первые 4 недели (пока бетон набирает проектную прочность).
  • Белит. Процентное содержание в клинкере – 15-30%. Представляет собой двухкальциевый силикат с модифицированной структурой. В отличие от алита, медленно вступает в реакцию с водой, поэтому не играет значимой роли в процессе твердения бетона, но важен на более поздних стадиях. Отвечает за крепость после набора проектной прочности (после 28 дней).
  • Алюминат. Процентное содержание в клинкере – 5-10%. Это трехкальциевый алюминат с измененным составом и структурой. Быстро реагирует с жидкостью и приводит к скорому схватыванию бетона, поэтому для контроля алюмината используют специальные агенты (обычно – гипсовые добавки).
  • Феррит. Процентное содержание в клинкере – 5-15%. Это модифицированный четырехкальциевый алюмоферрит с изменяемой скоростью схватывания (зависит от состава). Чаще всего происходит быстрая реакция с жидкостью в начальный период, после чего скорость реакции замедляется до промежуточного уровня между белитом и алитом.

Гипсовый камень

Процентное содержание в портландцементе составляет около 5%. Регулирует сроки схватывания, не дает бетону быстро твердеть, что упрощает работу с приготовленным раствором. Иногда заменяют на другие компоненты с аналогичными характеристиками.

Добавки

Процентное содержание в портландцементе составляет около 15%. В качестве добавок используют:

  • пиритные огарки;
  • пески;
  • бокситы;
  • колошниковую пыль.

Добавки служат для придания определенных свойств: морозостойкость, влагостойкость и пр., и (или) для удешевления цемента.

Технология изготовления цемента

Процесс изготовления цемента включает:

  1. Разработка месторождений известняка и глины для производства клинкера.
  2. Добыча сырья и перевозка до цементного завода. Как правило, цементные заводы располагаются недалеко от указанных карьеров, что помогает сократить затраты на производство.
  3. Подача добытой породы в первичную дробилку. Здесь камень дробится до средней фракции 5-8 см.
  4. Обработка во вторичной дробилке. Порода дробится на кусочки, диаметром 3-4 см.
  5. Подача в дозирующую установку, где происходит смешивание глины и известняка.
  6. Подача в мельницу, где сырье дробится до состояния муки.
  7. Обжиг при температуре +1450°С и получение оплавленного клинкера.
  8. Охлаждение клинкера и его передача на склад для дальнейшего хранения или на мельницу для дробления.
  9. Дозирование готового цемента по упаковкам.

известняковый карьер

При этом технологический процесс производства немного отличается в зависимости от выбранного способа:

  • мокрый;
  • сухой;
  • комбинированный.

Сухой метод распространен в странах Европы, тогда как в РФ цемент производят мокрым способом. В процессе глину измельчают до фракции около 1 см и вымачивают в болтушках до набора влажности около 70%. Далее глина перемешивается с известняком и перемалывается в мельнице до состояния муки, в результате чего общая влажность состава снижается до 40%. На этом этапе также корректируют состав, по необходимости используя добавки, а далее готовая смесь подвергается обжигу.

При использовании сухого способа все компоненты проводят через сушильную установку, после чего перемалывают в мельнице и корректируют состав, использованием добавок. Далее осуществляют обжиг без вымачивания ингредиентов.

Комбинированный метод похож на мокрый, только после смешивания глины с известняком, смесь обезвоживается до влажности 12-15% и после этого обжигается.

Основные характеристики

Технические характеристики цемента включают:

  • Прочность. Указывается в маркировке буквой «М». На рынке распространены портландцементы М400 и М500, где цифра обозначает нагрузку на сжатие в килограммах на сантиметр квадратный, которую выдержит застывший бетон (при условии, что для приготовления использовался только цемент и вода). Прочность устанавливают опытным путем, для чего застывший кубик бетона подвергают давлению на специальных установках.
  • Продолжительность схватывания. Определяет количество времени, которое необходимо вяжущему веществу для начала твердения. Делится на три категории: быстротвердеющие, нормальнотвердеющие и медленнотвердеющие. При этом нормальнотвердеющие цементы начинают схватываться через несколько часов после заливки при условии температуры от +10°С. При понижении температуры до +5°С связывающее вещество твердеет за 8-10 часов, а при температуре, близкой к 0° – 15-20 часов. Продолжительность схватывания варьируется с помощью присадок, добавляемых в процессе приготовления бетона (есть присадки для ускорения и для замедления твердения).
  • Морозостойкость. Определяет количество циклов замораживания и размораживания, которое может выдержать уже застывший бетон. При этом разрушение бетона наступает из-за впитывания влаги, которая замерзает внутри и, превращаясь в лед, расширяется. Поэтому для повышения морозостойкости важно качественно перемешивать раствор в процессе приготовления, чтобы он был однородным, без включения комков. Также для повышения морозостойкости раствор вибрируют, что уплотняет его и препятствует впитыванию влаги.
  • Гигроскопичность. Определяет стойкость готового изделия ко впитыванию влаги. Зависит от наличия пор в бетоне. Для улучшения свойств раствор вибрируют в процессе заливки.
  • Плотность. Масса цемента в одном кубическом метре. Среднее значение – 1300 кг/м³, но показатель зависит от давности производства. Чем дольше цемент лежит – тем сильнее он уплотняется, пока не образуется в плотный, не размешиваемый комок.
  • Срок годности. Обычно составляет 3-6 месяцев, но сильно зависит от условий хранения. Цемент содержат в сухом накрытом помещении, желательно – на поддонах.

Важно понимать, что прочность, продолжительность схватывания, морозостойкость и гигроскопичность регулируют в процессе приготовления бетонного раствора. Чем больше песка – тем меньше прочность, морозостойкость и влагостойкость. Также на указанные характеристики влияют присадки. Например, пластификаторы снижают количество пор, увеличивают прочность, морозостойкость, влагостойкость.

дробилка на производстве цемента

Разновидности цемента

Цемент отличается по составу и пропорциям компонентов, что сказывается на его свойствах. Различают виды:

  • Быстротвердеющий. Включает минеральные добавки, которые ускоряют твердение.
  • Сульфатостойкий. Из состава клинкера выводится часть алюминатов, что увеличивает стойкость смеси к сульфатам. Используется для конструкций, подвергающихся агрессивному воздействию.
  • Гидрофобный. Включает добавки, повышающие водоустойчивость готового бетона.
  • Белый. Характерен светло-серый цвет, обычно используют для отделки.
  • Пуццолановый. Не боится воздействия сульфатов, характерна высокая прочность. Подходит для влажной среды.
  • Тампонажный. Специальный цемент для герметизации скважин на разработках месторождений нефти и газа. Набирает высокую прочность на начальных этапах.

Особенности маркировки цемента

Согласно ГОСТ 311008-2020, маркировка цемента включает:

  • тип вяжущего вещества;
  • процентное содержание добавок;
  • вид добавок;
  • прочность;
  • скорость твердения.

Маркировка по типу вяжущего вещества

Маркировка Обозначение
ЦЕМ 0 Портландцемент (ПЦ) без содержания добавок
ЦЕМ I ПЦ
ЦЕМ II ПЦ с минеральными добавками
ЦЕМ III Шлакосодержащий
ЦЕМ IV Пуццолановый
ЦЕМ V Композиционный

производство цемента

Процентное содержание добавок

Маркировка Обозначение
А 6-20%
В 21-35%
С 36-65%

Вид добавок

Маркировка Обозначение
Ш Доменный шлак
И Известняк
П Зола
З Пуццоланы
М Микрокремнезем

Прочность

Маркировка Обозначение
32.5 Прочность в мегапаскалях, соответствует марке М300
42.5 Соответствует марке М400
52.5 Соответствует марке М500

Скорость твердения

Маркировка Обозначение
Б Быстротвердеющие
Н Нормальнотвердеющие

В некоторых случаях на мешках предусмотрена альтернативная маркировка по ГОСТ 10178-85, которая включает:

  • название цемента – ПЦ (портландцемент) или ШПЦ (шлакопортландцемент);
  • марку прочности – М300-М600;
  • содержание добавок – Д0 (без добавок) или Д20 (до 20% добавок).

бетон на щебне

Применение

Цемент – один из самых распространенных строительных материалов. Он находит применение для следующих целей:

  • заливка фундаментов под любые сооружения: небольшие беседки, частные коттеджи, многоквартирные дома и промышленные здания;
  • заливка стяжек и перекрытий;
  • производство фундаментных блоков и железобетонных конструкций для строительства: плиты, балки, ригели, сваи;
  • производство тротуарной плитки и декоративных изделий;
  • приготовление кладочного раствора и раствора для штукатурки;
  • ремонт бетонных, блочных и кирпичных поверхностей;
  • дорожное строительство: создание автомагистралей, велосипедных и пешеходных дорожек и т.д.

Заключение

Современный цемент появился около 200 лет назад и за это время успел выйти в лидеры использования среди строительных материалов. Для приготовления используют смесь известняка и глины, обжигаемые при температурах около +1450°С до состояния клинкера, при этом существует несколько способов изготовления, но они не оказывают принципиального влияния на качество. Цемент различается по видам и сфере применения, но самый популярный – портландцемент марки М400 и М500 (или 32.5 и 42.5 соответственно).

Сфера применения материала не ограничена. Цементный раствор отличает хорошая адгезия к металлу, камню, кирпичу и многим другим поверхностям. При покупке нужно следить за сроком годности, так как у цемента она сильно ограничена. Хранить мешки лучше в закрытом помещении, чтобы избежать намокания от атмосферных осадков.

Материал подготовил: Евгений Викторович Кузнецов